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Entwicklung eines KI-basierten optischen Messsystems für eine Überwachung und Steuerung des Flockungsmitteldosierprozesses im Abwasser und Untersuchung von Reduktionsmöglichkeiten polyacrylamidbasierter Flockungsmittel bei Einsatz von Dualflockung

Naturnahe Flockungsmittel in der Trinkwasseraufbereitung als konkurrenzfähige Alternative zu Metallsalzen und Polyacrylamid

Vorkommen und Verhalten von wasserlöslichen Polymeren in der aquatischen Umwelt

Wasserlösliche Polymere (WSPs) werden in großen Mengen produziert (1.000-1.000.000 Tonnen pro Jahr, je nach Polymer) und haben zahlreiche Anwendungen, die einen Eintrag in die aquatische Umwelt zur Folge haben können. In den wenigen Fällen in denen Konzentrationen zumindest abgeschätzt werden konnten wurde je nach Polymer und Nähe zu einer Quelle von Konzentrationen im µg/L bis mg/L Bereich berichtet. Dennoch sind zu wenige Informationen zu ihrem Vorkommen und Verhalten in der aquatischen Umwelt verfügbar, um eine Bewertung ihrer Umweltrelevanz vornehmen zu können. Dies liegt zum einen daran, dass spurenanalytische Methoden für WSPs in komplexen Umweltmatrizes noch nicht etabliert sind und zum anderen daran, dass die in Studien zum Abbau verwendeten analytischen Methoden oft nur die Betrachtung eines Primärabbaus oder des Grades der Mineralisierung zuließen. In vielen Fällen fanden Transformationsprodukte wenig oder keine Beachtung. Für andere WSPs fehlen solche Studien noch komplett. Auf Basis des Literaturstandes untersucht PolyAqua das Umweltvorkommen und Umweltverhalten (Biotransformation, gebildete Transformationsprodukte und Sorption) von 5 ausgewählten Polymeren (Polyethyleneoxid - PEO, Polyvinylpyrrolidone - PVP, Polydiallyldimethylammonium chlorid - PolyDADMAC, Polyacrylsäure - PAA und Polyacrylamid - PAM) in drei Arbeitspaketen. Im Arbeitspaket 1 werden spurenanalytische Methoden für WSPs entwickelt und somit der Grundstein für die weitere Untersuchung gelegt. Es werden verschiedene analytische Methoden betrachtet, die bereits vereinzelt für WSPs angewendet wurden oder auf die Übertragbarkeit von Mikro- oder Nanoplastik auf WSPs schließen lassen. In Arbeitspaket 2 werden die Biotransformation und das Sorptionsverhalten der ausgewählten WSPs in Laborstudien untersucht. Die vorrausgegangenen Arbeiten werden in Arbeitspaket 3 auf reale Systeme übertragen (Oberflächenwässer und potentielle Quellen wie kommunale Kläranlagen). In diesem Arbeitspaket wird ein Umweltmonitoring für die ausgewählten WSPs und deren in Arbeitspaket 2 identifizierten Transformationsprodukte durchgeführt das nicht nur die wässrige Phase, sondern auch feste Phasen wie Sediment, Schwebstoffe und Klärschlamm untersucht. Dieses Monitoring dient zur Bestätigung der in Arbeitspaket 2 erzielten Ergebnisse in realen Systemen. Die kombinierten Ergebnisse zeigen, in welchen Mengen WSPs in die aquatische Umwelt eingeleitet werden. Zudem verdeutlichen sie, wie sich die WSPs zwischen verschiedenen Phasen verteilen und welche Rolle Transformationsprozesse für ihr Umweltverhalten spielen.

Polymer Flooding in der Erdölgewinnung

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer analytischen (Labor-)Methode für die analytische Charakterisierung der für das Polymer Flooding eingesetzten Polymer-Lösungen zur Konzentrationsbestimmung und zur Ermittlung der Molekulargewichts-Verteilung. Hierfür soll ein Analysenverfahren, beruhend auf wässriger Grössenasusschlusschromatographie zur quantitativen Bestimmung und qualitativen Charakterisierung des verwendeten Polyacrylamid-Polymers entwickelt werden. Diese Methode erlaubt bei Kalibrierung mit geeigneten Standards sowohl eine quantitative Bestimmung, als auch eine Aussage über die Molekulargewichtsverteilung des gelösten Polymers. Darüber hinaus ist diese Technik relativ robust gegenüber hohen Salzgehalten der zu untersuchenden Prozesswässer. Aufgrund des hohen und voraussichtlich sehr unterschiedlichen Salzgehaltes der Proben ist zu erwarten, dass UV-Detektion bei sehr kurzen Wellenlängen (196 nm) am besten geeignet ist. Die Labormessungen sollen in der Folge dann gegen einfachere, auch im Feld einsetzbare Methoden (z.B. Trübungsmessung, Iodid-Methode, Viskositätsbestimmung) kalibriert werden.

Versuche zur Zerstörung wasserlöslicher Polymere aus EOR-Maßnahmen

Eine der Methoden der Enhanced Oil Recovery (EOR) ist das Polymerfluten. Hierbei wird bei der Ölproduktion gewonnenes Lagerstättenwasser mit Polymeren zur Viskositätssteigerung versetzt und in die Lagerstätte reinjiziert, um so einen höheren Grad an Ölausbeute zu erreichen. Das verwendete Polymer (Polyacrylamid) muß dabei einerseits bestimmten Stabilitätskriterien (Temperatur, pH, etc.) entsprechen. Auf der anderen Seite bringt aber gerade diese angestrebte Stabilität Probleme am Ende des Prozesses mit sich, v.a. bei der Wasseraufbereitung zur Reinjektion. Damit das Polymer keine negativen Auswirkungen auf die Wasseraufbereitung hat, muss es aus dem produzierten Wasser möglichst vollständig entfernt werden. Ziel dieses Projektes ist die entwicklung eines geeigneten physikalisch-chemischen Abbauprozesses, der zum einen ökonomisch sinnvoll und zum anderen auch technisch mit geringem Aufwand umsetzbar sein soll. Der Erfolg des Abbauprozesses wird jeweils durch Größenausschlußchromatographie verfolgt. Dies ermöglicht nicht nur die Charakterisierung des Polymers hinsichtlich seines Molekulargewichtsverteilung, sondern bietet auch die Möglichkeit, den Abbauprozesse analytisch zu verfolgen und zu verfeinern. Als Abbauprozesse sollen die Oxidation unter verschiedenen experimentellen Bedingungen fuer sich alleine oder in Kombination mit Fällungsreaktionen (durch Zusatz von Metallionen) untersucht und optimiert werden.

Einfluss produktionstechnischer Maßnahmen bei Getreide zur Reduzierung von Acrylamidvorstufen im Korngut

Acrylamid, eine bisher aus der chemischen Industrie bekannte Ausgangssubstanz zur Herstellung des Kunststoffes Polyacrylamid, wurde im April 2002 von schwedischen Wissenschaftlern in z.T. hohen Konzentrationen in stärkehaltigen, stark erhitzten Lebensmitteln gefunden. Acrylamid wirkt in Tierversuchen krebserregend und wird deshalb als 'wahrscheinlich karzinogen für den Menschen eingestuft (IARC 1994). Nach aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen entsteht Acrylamid hauptsächlich innerhalb oder im Umfeld der Maillard-Reaktion aus Aminosäuren (insbesondere Asparagin) und reduzierenden Zuckern. Vor allem hohe Temperaturen und eine niedrige Wasserverfügbarkeit im Nahrungsmittel bilden ideale Voraussetzungen für die Acrylamidbildung. Neben Kartoffeln, die sehr hohe Gehalte an freiem Asparagin und reduzierenden Zuckern aufweisen, enthält auch Getreidekorngut diese Vorstufen. Ziel des von der Landesstiftung Baden-Württemberg im Rahmen des Forschungsprogramms 'Acrylamid geförderten Projektes ist die Prüfung verschiedener pflanzenbaulicher Maßnahmen bei Getreide zur Reduzierung von Acrylamidvorstufen (freies Asparagin und reduzierende Zucker) im Korngut. Hierbei wird bei den Getreidearten Weizen, Dinkel und Roggen der Einfluss von Sorte, N- und S-Versorgung sowie der N-Düngerform auf die Gehalte an Acrylamidvorstufen im Korn untersucht.

Förderschwerpunkt Biotechnologie, ICBio - Glyoxylatproduktion auf Zuckerbasis

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Glyoxylsäure, OHC-COOH, ist ein hochinteressanter Ausgangsstoff für die Synthese verschiedener heterocyclischer Verbindungen, Antibiotika, Polyacrylamide, Benzaldehyde und pharmazeutischer Bausteine. Die Herstellung von Glyoxylsäure erfolgt bisher chemisch durch Oxidation von Glyoxal mit Salpetersäure. Dieses Verfahren ist energieintensiv und führt aufgrund der Bildung von Oxalsäure zu einer schlechten Ausbeute. Obwohl Glyoxylat ein zentrales Stoffwechselintermediat in vielen Organismen darstellt, wurden unseres Wissens nach bisher keine Forschungsarbeiten zur biotechnologischen Produktion von Glyoxylat aus Zuckern publiziert. Das Ziel des geplanten Projekts ist die Entwicklung eines neuen, nachhaltigen und umweltschonenden Verfahrens zur Herstellung von Glyoxylat aus Zucker mit Hilfe von rekombinanten Bakterien-Stämmen (Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum) inklusive der dazugehörigen Produktaufarbeitungstechnik und zwar bis in den Technikumsmaßstab. Fazit: Obwohl die geplanten metabolic engineering-Arbeiten mit Escherichia coli erfolgreich durchgeführt werden konnten, katalysierten die erhaltenen Stämme nicht die gewünschte Umsetzung von Glucose zu Glyoxylat. Die Ursache dafür konnte nicht identifiziert werden. Hinsichtlich der Aufarbeitung von Glyoxylat aus wässriger Lösung konnten zwei alternative Verfahren etabliert werden, die Reaktivextraktion und die Elektrodialyse. Da ein erfolgreicher Abschluss des Projekts innerhalb des von der DBU gesetzten Zeit-rahmens von zwei Jahren nicht absehbar war, wurde das Projekt nach 18 Monaten Laufzeit beendet.

Absetzmoeglichkeiten der Filterschlaemme des Wasserwerkes Krefeld II

Gegenstand der Untersuchung war die hydraulische Optimierung eines vorhandenen Absetzbeckens, das als Rundbecken einer Wasseraufbereitungsanlage nachgeschaltet ist und zur Absetzung der Hydroxidschlaemme in den Filterspuelwaessern dient. Dabei war die Absetzleistung so unbefriedigend, dass die Kiesfilterschuettung eines Versickerungsbeckens, das vom Absetzbecken gespeist wird, schon nach wenigen Monaten durch Hydroxidschlaemme zugesetzt ist u. kostenintensiv ausgetauscht werden muss. Aufgabe des IWW war es zu untersuchen, ob durch Aenderung der Betriebsweise oder durch geeignete bauliche Veraenderungen des Absetzbeckens eine ausreichende Absetzleistung erzielt werden kann. Auswahl von Flockungshilfsmitteln und Ermittlung von Sedimentationsgeschwindigkeiten nach dem OWEN-Verfahren: In einer Versuchsreihe wurden verschiedene Flockungshilfsmittel auf der Basis von Polyacrylamiden untersucht, die unter Laborbedingungen mit den Filterspuelwaessern vermischt und in ihrer Konzentration zwischen 0,25 und 1,0 g/m3 variiert wurden. Die Filterspuelwaesser hatten eine durchschnittl. Konzentration von 1,5 g abfiltrierbare Stoffe pro Liter. Das Auswahlkriterium fuer die Leistungsfaehigkeit des jeweiligen Flockungshilfsmittels bildete die Sedimentationsgeschwindigkeit der Hydroxidschlaemme, die mit dem Verfahren nach OWEN ermittelt wurde. Bei diesem Verfahren wird die Suspension aus Filterspuelwasser und Flockungshilfsmittel in einen Absetzzylinder (OWEN-Tube) von 1m Hoehe und 2,5 cm Durchmesser eingefuellt. Dann werden nach festgesetzten Zeiten Proben am Boden des Zylinders entnommen und im Labor die Konzentrationen mittels Filterung bestimmt. Daraus lassen sich die Sedimentationsgeschwindigkeiten, differenziert nach Gewichtsanteilen, mit Hilfe des Stokesschen Gesetzes ableiten, die im weiteren als Eingangsparameter fuer die mathematisch-numerischen Simulationen erforderlich sind. Um den Einfluss der Turbulenz auf die Flockenbildung und damit auf das Sedimentationsverhalten der Hydroxidschlaemme beurteilen zu koennen, wurden Versuche im Kreisgerinne des IWW durchgefuehrt. Die Stroemung im Kreisgerinne wird dabei durch Bewegung des Gerinnekoerpers und des auf der Wasseroberflaeche aufliegenden Deckels erzeugt (Couette-Stroemung). Der dabei erzeugte Stroemungszustand ist quasi endlos u. kommt ohne die Flocken zerstoerende Pumpen aus. Bei der Versuchsdurchfuehrung wurde eine Sohlschubspannung von 0,3 Pa aufgebracht, so dass die Hydroxidschlaemme komplett in Schwebe blieben Die Sohlschubspannung wurde im weiteren Verlauf schrittweise reduziert. Zu Beginn des Versuchs steigt die Konzentration stark an, was auf eine Flockenzerstoerung schliessen laesst. Ist die Sohlschubspannung kleiner 0,1 Pat, so beginnt das Material zu sedimentieren. Diese Erkenntnis diente der Konstruktion von baulichen Veraenderungsvorschlaegen des vorhandenen Absetzbeckens und zur Auswahl der entsprechenden Variante nach Abschluss der numerischen Berechnungen.

Herstellung und Eigenschaften von Membranen zur Eliminierung organischer Verunreinigungen aus dem Wasser durch Druckfiltration

Die staendig zunehmenden Probleme der Wasserverunreinigung und die Suche nach Moeglichkeiten zur Trinkwassergewinnung haben der Entwicklung spezieller Filtrationstechniken und dazu geeigneter Membranen grossen Auftrieb gegeben. Besondere Erfolge werden mit den sog. mehrschichtigen Membranen erzielt. Hierbei wird Polyelektrolytschicht auf einem hochporoesen synthetischen Ultrafilter abgeschieden. Untersucht werden Ultrafilter aus Celluloseester, Polysulfon, Polytetrafluorethylen und Polypropylen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen Versuche zur Herstellung und Optimierung von Membranen auf der Basis von Polyacrylamid sowie Polyacryl- und Polyvinylsulfonsaeure durchgefuehrt werden. Es ist beabsichtigt, die Optimierung der Mebranen weniger an der Retention von Ionen, als vielmehr an der von organischen Testsubstanzen auszurichten und ein Modell fuer den Stofftransport wasserloeslicher organischer Verbindungen durch die Polyelektrolytmembranen zu erstellen.

Elimination schwer abbaubarer Stoffe durch weiterentwickelte biologische Abwasserreinigungsverfahren am Beispiel Flockungshilfsmittel

Ueber das Eliminations- bzw Abbauverhalten von organischen Flockungshilfsmitteln (Polyacrylamide) und den Verbleib bei biologischer Abwasserbehandlung in der Schlammphase, der waessrigen Phase und Gasphase ist wenig bekannt. In Laborbelebtschlammanlagen (Fermentern) wird unter kontrollierten Bedingungen die Eliminationsleistung am Beispiel der Polyacrylamide untersucht und die Bedingungen optimiert. Physikalisch-chemische Vorbehandlungsverfahren werden zur Unterstuetzung der biologischen Behandlung eingesetzt. Es wird erwartet, dass das Forschungsvorhaben auch auf andere schwer abbaubare Stoffe uebertragbare Ergebnisse liefert.

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